Sujetadores que evitan la vibración en mecanizado de alta velocidad

En el esfuerzo para minimizar la vibración con ruido durante el mecanizado de alta velocidad, las estructuras de las máquinas-herramienta se han hecho más rígidas, las herramientas de corte han sido rediseñadas, se han acortado los portaherramientas y se han vuelto huecos, los husillos se han vuelto a diseñar y los sensores han sido desarrollados para encontrar un "punto dulce" donde el desempeño del sistema sea el más favorable. Pero no se ha puesto mucha atención a cómo la sujeción de los trabajos de un sistema de mecanizado influye en la vibración con ruido. La principal preocupación en este asunto era simplemente asegurar que la fijación de sujeción de trabajos entregara las fuerzas adecuadas de agarre.

Sin embargo, empezaron a surgir preguntas cuando el desarrollador de un sistema integrado de sujeción de trabajos comenzó a comparar el desempeño de su sistema de pallets más grande, respecto a un sistema de pallets aún mayor desarrollado por la competencia. El sistema del competidor estaba rigidizado estáticamente, pero no se desempeñaba tan bien. El sistema propio del diseñador permitía cortes más pesados y los acabados superficiales resultantes eran mejores.

El desarrollador, System 3R (Suecia y Elk Grove Village, Illinois), hizo que su equipo técnico revisara esto. Debido a sus importantes implicaciones, la compañía inició una investigación mayor y un proyecto de desarrollo con el instituto técnico líder en Estocolmo. Los hallazgos revelaron que un sistema de sujeción de trabajos tiene que lograr no sólo alta rigidez estática sino también elevada rigidez dinámica.

Esto condujo al desarrollo de la tecnología llamada paletización con amortiguación de vibración (VDP). Es un diseño para sujeción de trabajos en pallets que ayuda a restringir las vibraciones con una capa de polímero visco-elástico –una clase de material compuesto para absorción de impacto– incorporado a las unidades de sujeción, como boquillas y mandriles. Esta capa disipa la energía de vibraciones que emana de otros componentes en el sistema de mecanizado. De acuerdo con la compañía, la efectividad de esta tecnología se evidencia en mejores acabados superficiales, mayor vida de la herramienta y fuerzas de mecanizado más bajas, comparadas con aquellas experimentadas en el diseño anterior.

En resumen, el sistema de pallet rediseñado da a los usuarios de máquinas-herramienta de alta velocidad otra táctica para eliminar la vibración con ruido en operaciones críticas. El mecanizado convencional también se beneficia.

Estático versus dinámico
Uno de los conceptos clave que ayuda al entendimiento de la influencia del sistema de sujeción de trabajos en la vibración es la diferencia entre rigidez estática y rigidez dinámica. En un lenguaje sencillo, la rigidez estática es la resistencia de un componente a la deflexión cuando se aplica una fuerza continua en una dirección. En términos generales, los sistemas de sujeción de trabajos con altas fuerzas de agarre también tienen elevada rigidez estática. Eso es importante, obviamente, porque usted no quiere que una parte se suelte durante el mecanizado. Sin embargo, el mecanizado no es una situación estática, de modo que la rigidez estática es sólo una parte de la figura.

En contraste con la rigidez estática, la rigidez dinámica es la resistencia de un componente a la deflexión cuando las fuerzas aplicadas son altamente variables o cuando las condiciones con las cuales se aplican, cambian. Un proceso de mecanizado crea naturalmente una situación muy dinámica. Las fuerzas de corte cambian rápidamente a medida que la herramienta de corte y el husillo rotan, cuando los ejes de la máquina se mueven a diferentes velocidades y direcciones, y cuando la remoción de material cambia la forma y masa de la pieza de trabajo.

Estas fuerzas y condiciones variables tienden a crear vibraciones, o deflexiones intermitentes, en los elementos del sistema. Estas vibraciones ocurren con alguna frecuencia natural, el punto en el cual el sistema "quiere sonar como un timbre". Cuando son lo suficientemente fuertes, las vibraciones pueden alcanzar la punta o los filos de una herramienta de corte y dejar ‘ondulaciones’ en la superficie mecanizada. Las ondulaciones representan una serie de puntos bajos y altos que corresponden a fuerzas alternantes altas y bajas creadas por los filos de corte que vibran. El espaciamiento de las ondas refleja la frecuencia de la vibración.

Cuando coinciden las partes altas y bajas de las ondulaciones con las fuerzas altas y bajas producidas por la herramienta de corte en pases subsecuentes, las deflexiones son más pronunciadas. Este efecto es como un ciclo vicioso. Cada vez empeora, hasta alcanzar eventualmente un punto en el cual las condiciones afectan adversamente los resultados del mecanizado. Esta vibración ‘autoexcitada’ se llama comúnmente (vibración con ruido), por el sonido distintivo que produce. La principal evidencia visible del martillero es un patrón notable de marcas indeseadas de la herramienta en la superficie de la pieza de trabajo.

La esencia de controlar la vibración es interrumpir este ciclo de vibraciones autoexcitadas. Debe prevenirse que las vibraciones se alimenten ellas mismas. Existe un gran número de estrategias para lograr este objetivo, entre ellas la de mantener las vibraciones lejos de alcanzar suficiente energía para eliminar esa negativa reacción en cadena.

Un tema absorbente
System 3R y su socio de I&D, el Departamento de Ingeniería de Producción en el Royal Institute of Technology en Estocolmo, vio el potencial de mejorar el desempeño dinámico de un sistema de sujeción de trabajos, para beneficiar así el proceso de mecanizado completo. El objetivo era desarrollar un sistema de pallet con buenas características de amortiguación de vibraciones. Era una proposición desafiante.

Los desarrolladores querían un sistema efectivo sobre una alta gama de frecuencias, porque el mecanizado involucra muchas variables que pueden formar vibraciones. Es difícil predecir estas frecuencias, así que sintonizar un sistema a una frecuencia específica resulta inútil. Los desarrolladores querían un sistema que no fuera excesivamente costoso o complicado, que pudiera ser usado para un amplio rango de tamaños de pallet y fuera compatible con componentes de productos existentes ya en los talleres de los clientes. Aún de mayor importancia, el sistema no podía comprometer la rigidez estática.

Después de examinar cierto número de posibles soluciones, los desarrolladores concluyeron que la amortiguación con polímero viscoelástico era la que mejor satisfacía sus necesidades. Los polímeros viscoelásticos constituyen una clase de materiales, como el plástico, con propiedades únicas que los hacen aptos para amortiguación de vibración. Estos materiales son elásticos hasta que se someten a presión o fuerzas de corte. Tales fuerzas transforman inmediatamente el material en un semisólido, que absorbe y disipa energía en un alto grado.

Después de varios años de exploración inicial y prueba, los desarrolladores escogieron integrar un polímero viscoelástico en el diseño del sistema de pallet. Incorporar una capa de este material como un elemento de rodamiento probó ser la forma más efectiva para maximizar el efecto de amortiguación de vibración. El diseño incorpora un compuesto especialmente diseñado de polímeros de alta amortiguación y metal en el mandril, la parte de un sistema paletizado que está unida a la estación de alistamiento, tal como la mesa de trabajo de la máquina o la superficie de un dispositivo de metrología. El mandril provee una interfaz para los elementos de referencia que permite intercambiar los pallets de sujeción de trabajos con un alto grado de precisión y repetibilidad en el posicionamiento (este es el concepto de referencia precisa y repetible, para lo cual los sistemas de herramental integrados derivan su valor). Los elementos de referencia existente son compatibles con mandriles permitidos para VDP, porque la interfaz no ha sido modificada de ninguna forma.

Ubicar el material viscoelástico en el sistema de sujeción de trabajos es ubicar la función de amortiguación de la vibración cerca de la interfaz herramienta de corte/pieza de trabajo. Los investigadores teorizan que esta proximidad cuenta para la efectividad de la solución. Sin importar dónde se originan las vibraciones en el sistema de mecanizado, el sistema absorbe energía donde más interesa.

Aumentar la barrera contra vibración
Según la compañía, la tecnología diseñada mejora la dinámica de un sistema de pallets de manera sustancial, con sólo una pérdida ligera en rigidez estática. Afortunadamente, la pérdida de rigidez estática no afectó el desempeño en las pruebas de mecanizado.

Lo que hace interesantes las pruebas de mecanizado con paletización de vibración amortiguada es que los resultados enfatizan la importancia de la vibración autoexcitada y la cantidad en la cual el martilleo constituye un factor limitante en muchas operaciones de mecanizado. Por ejemplo, el diagrama de abajo muestra cinco valores normalmente afectados por dicho martilleo.

Cuando un usuario de máquina-herramienta es forzado a cortar con velocidades y avances que eviten la vibración y prevengan el daño a las herramientas de corte, los delicados rodamientos de husillo y el acabado superficial de la pieza de trabajo, se comprometen la capacidad de remoción de material y la eficiencia de la fuerza de corte. Así, la vibración se convierte en la barrera que define los parámetros máximos de corte, mientras los límites deberían definirse por la resistencia de la herramienta de corte y la potencia de la máquina. Como muestra el diagrama, cuando se mueve hacia atrás la barrera de vibración, se incrementan los cinco valores. Pueden mitigarse los compromisos y sacrificios, permitiendo mayor utilización de toda la capacidad de la máquina-herramienta.

Sin embargo, los desarrolladores notan que esta tecnología también es efectiva cuando la vibración con ruido no resulta un problema, porque la vibración está presente en algún grado en casi cualquier situación de mecanizado. Aun con "vibración estable", la cual puede no ser lo suficientemente crítica para causar la condición inestable que se puede detectar como martillero, puede contribuir a un alto desgaste de la herramienta, rugosidad superficial o imprecisión dimensional. Reducir esta vibración estable con VDP puede prolongar la vida de la herramienta y producir acabados superficiales que podrían, de otra forma, requerir cortes finos de mecanizado o pulido.

Qué esperar
Aunque los desarrolladores continúan probando la tecnología VDP en sus laboratorios y recolectando datos de los usuarios en campo, el resumen de resultados es positivo. System 4R no dice que el VDP cure todo. En este punto, la compañía está más interesada en llamar la atención en que la sujeción de herramientas es un factor pasado por alto en el control del ruido y la vibración. Aún se aconseja a los talleres perseguir cualquier otra táctica para mejorar la rigidez estática y dinámica del sistema de mecanizado. Aquí se presentan algunas notas que la compañía desea dar a los usuarios:

Aplicar VDP siempre resulta en un mejor acabado superficial. La única pregunta es qué tanto mejorará. Una pequeña muestra de las mejoras en el acabado superficial se presenta en la tabla I . Es de notar que el mecanizado convencional presenta la mayor ganancia, pues las fuerzas de corte disminuyen hasta 25%. En cierta medida, la energía perdida de otra forma en vibración se recupera por el sistema de mecanizado. Las menores fuerzas de corte reducen el consumo de energía y reducen el desgaste de la herramienta.

La vida de la herramienta se incrementa hasta 30%. Esto se traduce en menores costos de la herramienta de corte. El beneficio puede pronunciarse especialmente con herramientas de corte en carburo recubiertas, porque la vibración con ruido tiende a desprender el recubrimiento, dejándolo sin efectividad como escudo de calor y lubricante en el corte.

La vida del husillo se alarga. Los husillos diseñados para mecanizado de alta velocidad descansan en rodamientos de alto grado y baja fricción, los cuales tienden a desgastarse más rápido cuando están sujetos a vibración excesiva. Con VDP, la compañía predice que la vida del husillo puede extenderse hasta 30%.

La capacidad de remoción de material de una máquina se incrementa hasta 30%. Las velocidades y avances no están restringidos por la vibración con ruido, de modo que pueden aumentar con seguridad. En las aplicaciones de mecanizado de alta velocidad, este incremento puede ser esencial para recuperar la inversión en función de productividad mejorada y rentabilidad.

Otros aspectos al aplicar VDP también merecen atención.

En el mecanizado en cinco ejes, muchas veces es necesario usar herramientas de corte más largas o fijaciones más esbeltas para minimizar problemas de vacíos. La herramienta de corte o la pieza de trabajo estarán sujetas a mayor deflexión. Con estas condiciones, la amortiguación de vibración en la sujeción de trabajos es especialmente valiosa.

En algunos casos, el VDP permite asegurar una pieza de trabajo grande con efectividad en un sistema de pallet más pequeño que los recomendados normalmente. Esta aumenta la flexibilidad de un sistema de sujeción de trabajos integrado. Sin embargo, la efectividad total de la amortiguación de vibración puede perderse cuando se sujetan piezas de trabajo pequeñas en pallets sobredimensionados, porque las vibraciones no alcanzan la capa viscoelástica para su absorción.

¿El eslabón perdido?
La sujeción de trabajos es un factor principal en el contexto de desempeño de sistemas de mecanizado individuales y del taller en general. Por una parte, como muestra esta discusión, la sujeción de trabajos puede determinar los resultados de mecanizado en cuanto a calidad de la parte y costos de producción. La amortiguación efectiva de vibraciones en un sistema de sujeción de trabajos disminuye el desperdicio en un proceso de mecanizado al mantener fuera la vibración con ruido. Por otro lado, la sujeción de trabajos está en el corazón de estrategias eficientes de alistamiento y puede desarrollar un importante papel en el esfuerzo continuo de lograr una manufactura esbelta. La manufactura esbelta busca reducir los desperdicios en todo aspecto de la producción.

Desde cualquier punto de vista, las innovaciones en sujeción de trabajos merecen atención.

©Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.